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来源：高分子科学前沿收集编辑：贺强课题组
在生物体中，细胞通过协调成百上千蛋白质分子马达的运动和力量，在多个尺度上执行各种机械任务，如细胞内物质运输、细胞运动和肌肉收缩等。对生物分子马达F0F1-ATP合酶进行体外重组可以模拟细胞特定的结构和功能，有利于理解生命体进行复杂生物过程的物理化学机制。尽管已有研究报道了基于F0F1-ATP合酶功能化的重组聚电解质微胶囊仿细胞体系，被认为是研究细胞内部ATP按需合成和调控的最佳模型，然而，从纳米级蛋白质马达出发设计活性仿生材料和机器，通过消耗能量来推动微米级组装体连续运动仍然面临巨大挑战。
近日，哈尔滨工业大学贺强、吴英杰研究团队首次提出了一种新型的旋转生物分子马达协同驱动的超分子胶体马达。以自然界最小的分子马达——旋转生物分子马达F0F1-ATP合酶作为动力基元，运用可控化学分子组装构筑了生物分子马达协同驱动超分子胶体马达的新体系。该论文以“Rotary Biomolecular Motor-powered Supramolecular Colloidal Motor”为题发表在Science Advances上。作者通过结合模板法辅助的层层自组装技术和囊泡融合技术，将从光合细菌中提取出来的含有ATP合酶的色素团囊泡组装在多层聚电解质微胶囊表面，构建了旋转分子马达驱动的超分子胶体马达(图1)。这种光合色素团的膜表面不仅含有ATP合酶，还具有完整的光合系统。研究发现，含ATP合酶马达的色素团囊泡在聚电解质微胶囊表面的融合过程遵循“降落伞”机制，可实现ATP合酶马达内外取向的调控，获得超分子胶体马达的非对称结构。ATP合酶F0端嵌在磷脂膜内，F1端约有60%取向朝外。重组后的超分子胶体马达不仅保留了聚电解质微胶囊的中空结构，还具有色素团对紫外光到近红外光广泛吸收的能力。图1. 生物分子马达协同驱动的超分子胶体马达的制备和表征。为了实现超分子胶体马达的自驱动运动，在ADP、无机磷的反应溶液中，使用光照来引发光合磷酸化反应，生成能够驱动ATP合酶旋转的质子梯度，从而合成ATP并产生扩散泳力。通过改变光照的波长，超分子胶体马达展现出环境依赖性的运动能力，在最大吸收波长近红外光范围内，运动速度最快可达1.41μm/s。同时，超分子胶体马达的运动速度可以通过增加光照强度得到提高。根据R.Golestanian等人提出的理论，这种超分子胶体马达能够进行自驱动的原因是因为分子马达可以通过在流体中不对称地释放反应产物产生扩散泳力 (图2)。图2. 超分子胶体马达在光照下的自驱动及运动行为分析。为了进一步探究其驱动机理，作者对发生在超分子胶体马达表面的光化学反应进行了分析。每合成一个ATP分子除了需要ADP和Pi还大约需要消耗3个质子，而这个质子流的产生则是来自于整个光合磷酸化过程中由光生电子传递链伴随着质子传递形成的跨膜质子梯度。超分子胶体马达在循环光照下表现出稳定的光电流，表明了光诱导电子的生成。在光照下伴随着跨膜质子梯度的产生，ATP也随之生成，并且通过ATP的产出可以估算出平均每一个超分子胶体马达上最多分布183个取向朝外的ATP合酶。而且，由于跨膜质子主要参 与了ATP的生成反应，其在胶体马达表面形成的浓度梯度可以忽略不计，因此也排除了质子浓度梯度对胶体马达自驱动的作用（图3）。图3. 超分子胶体马达表面发生的光化学反应及光合活性分析。参与光合磷酸化反应的ADP浓度的大小也会影响超分子胶体马达的运动行为，过量的反应底物反而会影响分子马达的活性，降低胶体马达的运动速度。在非最佳反应条件下，超分子胶体马达的ATP产出会受到抑制，也会降低胶体马达的运动能力。结合实验结果和理论模拟分析，最终决定超分子胶体马达运动能力的是表面反应产物和底物形成的浓度梯度，而质子梯度的贡献可以忽略不计。通过提高光照强度可以增强质子动力势，促进ATP合酶旋转使参与反应的ATP合酶数量增加，同时产生的局域流体流能加速化学物质的扩散，又进一步增强了局部浓度梯度的强度。因此，作者提出由ATP合酶分子马达协同旋转消耗ADP和无机磷合成ATP形生的反应物浓度梯度导致 了一个自扩散泳力推动了超分子胶体马达进行自主运动 (图4)。图4. 超分子胶体马达在不同反应条件下的运动分析及驱动机理。作者通过创新性地运用生物分子马达的能量转化，实现了对超分子胶体马达动力单元的动态调控，印证了由生物分子机器驱动更大尺度机器的可能性，为游动纳米机器人仿生设计提供了全新的思路，也为未来细胞的能量代谢主动调控实现疾病的精准诊疗提供了新途径。--纤维素推荐--
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https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abg3015声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！